通过带惰性填充剂的回转干燥机增强甜菜粉中生物活性成分含量

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Enhanced bioactive content in beetroot powder via rotary dryer with inert filling

　　

摘要

甜菜根（Beta vulgaris L.）是甜菜碱（betalains）的重要来源，甜菜碱是一类水溶性生物活性化合物，具有重要的营养保健价值；然而，甜菜根的高含水量使其极易变质。本研究考察了一种非传统干燥技术——带惰性填充物的回转干燥机（RDIF）在制备高品质甜菜根粉中的有效性。采用因子设计对麦芽糊精（MD）和乳清蛋白分离物（WPI）两种载体剂进行了对比研究，随后采用中心复合设计（CCD）评估温度和时间间歇对粉末收率以及酚类化合物、类黄酮和甜菜碱保留效果的影响。WPI始终优于麦芽糊精，实现了更高的工艺收率（最高达61.91%），并表现出对生物活性化合物更优越的保护效果，酚类含量最高达56%，类黄酮含量最高比麦芽糊精在相同操作条件下高出12倍。随后采用期望函数技术进行工艺优化，确定了最优操作条件：温度为61.6°C，载体剂浓度为9.27%，时间间歇为6.9分钟。稳定性分析进一步证实了WPI的优越性，其制备的粉末保持了颜色和粉状特性，而基于MD的粉末则表现出结块和颜色变深现象。研究结果表明，在优化条件下、以WPI为载体剂的RDIF系统是一种稳健且高效的替代方案，用于生产富含生物活性化合物的稳定高品质甜菜根粉。

引言

甜菜根（Beta vulgaris L.）是一种具有重要全球意义的蔬菜，不仅因其营养价值，还因其功能性和技术性意义而备受重视。它是碳水化合物、矿物质和纤维素的丰富来源；然而，其主要特点在于富含甜菜碱，这是一类水溶性含氮色素，赋予其独特的红紫色泽（Raoui等人，2026）。甜菜碱以及大量的酚类和类黄酮化合物赋予了甜菜根卓越的抗氧化活性，这些活性与潜在的健康益处相关，包括抗炎和抗疲劳效果，从而使其被归类为营养保健食品（Kluge和Preczenhak，2016）。然而，新鲜甜菜根的高含水量（>80%）使其极易变质。干燥是最广泛使用的保鲜方法，用于延长保质期，因为它降低了水分活度，抑制微生物和酶的生长，并最大限度地减少运输和储存成本（Andrade等人，2024）。此过程中的关键挑战是保护热敏性化合物，如甜菜碱，它们容易受到热和氧化降解的影响（Jedlińska等人，2021；Kristianto等人，2025；Raoui等人，2026）。

干燥富含糖分的食品（如甜菜根泥）的主要挑战是黏附现象。干燥过程中的高温会导致糖分塑化，而它们的玻璃化转变温度（Tg）通常较低（Silva，2019）。这种黏性物质会粘附在设备壁上，导致非常低的收率和大量的产品损失（Samborska等人，2023；Silva，2019）。为了应对这一问题，加入载体剂是一项标准做法。这些添加剂通常为高分子量聚合物，可提高食品混合物的整体Tg，从而形成保护层，促进水分去除并防止黏附（Carmo，2017；Freitas等人，2022）。

尽管最近的研究已经证明，在低温下使用除湿空气辅助系统进行无载体雾化干燥浑浊甜菜根汁的可行性，实现了令人满意的工艺收率和改善的粉末质量（Jedlińska等人，2021），但将这些方法应用于高糖浓度和高纤维含量的完整甜菜根泥则面临不同的挑战。关键区别在于，无载体干燥适用于低粘度且基质组成简单的果汁或澄清溶液，而复杂的高糖浓度泥状基质结合膳食纤维需要添加载体剂以缓解严重的黏附和结块现象。

麦芽糊精（MD）是最广泛使用的载体剂，因其成本低、溶解度高和有效的成膜特性而备受青睐。然而，其简单的碳水化合物结构并不总是能对敏感生物活性化合物的降解提供理想的保护（Gawa?ek，2021；Freitas等人，2022）。乳清蛋白分离物（WPI）作为一种高性能替代品脱颖而出。在热变性过程中，乳清蛋白会暴露疏水基团，这些基团可以与生物活性分子建立更稳固的相互作用，从而形成更优越的包封机制（Bilenler Koc等人，2026；Carmo，2017）。这种蛋白质基质已证明具有更大的容量来形成稳定、耐湿的微胶囊，这对于甜菜碱的保留和最终粉末的整体稳定性至关重要（Grace等人，2025；Kandansamy和Somasundaram，2012）。

在选择合适载体剂的同时，干燥技术的创新同样至关重要。在此背景下，如图1所示的带惰性填充物的回转干燥机（RDIF）代表了一种高度创新的非传统改进型经典工业回转干燥机，由联邦大学（UFU）开发（Santos，2020；Silva，2019）。通过在旋转筒内整合一个动态的惰性球床，RDIF提供了一种独特的双重热-机械机制，旨在处理高内聚性和富含糖分的糊状材料时规避传统干燥机的黏附局限性（Menezes，2023；Nunes，2021）。

尽管RDIF具有机械优势，但用纯甜菜根泥（0%载体）进行的初步试验导致立即的工艺失败。由于甜菜根中低分子量糖分（蔗糖、葡萄糖、果糖）的高浓度，无载体泥表现为高度内聚、黏稠的糊状物，涂覆在惰性球上并形成厚厚的橡胶状层。该层粘附在筒壁上，导致几乎为零的粉末回收率。因此，在RDIF系统中，加入载体剂是一项操作必需，以提高玻璃化转变温度（Tg）并实现有效的膜破碎。

虽然传统工业回转干燥机在化学和矿物行业中被广泛用于干燥自由流动的颗粒材料，但它们在本质上无法干燥糊状、高粘度或黏性的材料，因为它们缺乏防止壁粘附和堵塞的机制。相比之下，RDIF通过其惰性填充物克服了这一局限性。湿泥被涂覆在热的惰性表面上，其中干燥由预热球体的传导传热和热风流的对流传热共同驱动。同时，持续的颗粒-颗粒和颗粒-壁碰撞产生所需的机械剪切力，以持续刮除和粉碎干膜。RDIF系统处理高内聚性和富含糖分的糊状材料的有效性已在我们先前的研究中得到验证。例如，Nunes（2021）成功地将该技术应用于干燥针叶樱桃，展示了在保护热敏性材料方面的高效率。

在RDIF中，惰性球的连续旋转和与设备壁的碰撞促进了干料（粉末）的机械破碎和移除。同时，干料被研磨，粉末被干燥空气淘洗到分离装置（如旋风分离器）中。这种集干燥和研磨于一体的机制防止了团聚体的形成，并消除了单独研磨步骤的需要，与喷雾干燥等传统方法相比，在能量和效率方面具有潜在优势（Santos，2020）。含惰性颗粒的沸腾床和流化床此前已被研究用于干燥糊状材料（Freire等人，2023）。然而，这些设备在处理高度内聚的糊状物时经常出现床塌陷或沟流现象，而RDIF中的机械旋转确保了床层的连续运动。

数学建模和数值模拟，特别是使用离散元方法（DEM），已成为获得旋转干燥机内传输现象微观和物理理解不可或缺的工具。虽然实验研究提供了关于温度分布和水分含量的宏观数据，但数值方法能够详细表征固体-固体碰撞和惰性床颗粒表面薄膜的动力学（Prakotmak等人，2025；Santos等人，2022；Wu等人，2025）。

尽管对糊状干燥进行了广泛研究，但将非传统技术（如带惰性填充物的回转干燥机RDIF，其依赖接触-传导传热和惰性床的机械自清洁）应用于复杂的富含糖分的材料方面仍缺乏探索。本研究首次系统研究了使用RDIF技术结合乳清蛋白分离物（WPI）作为功能载体生产甜菜根粉的方法。与传统喷雾干燥相比，RDIF具有独特的技术优势。在标准空气湿度条件下，富含糖分的物料喷雾干燥通常需要约50%（w/w）的载体浓度，而将载体含量降至20-40%可能需要工艺修改，如进风空气除湿。虽然进风温度通常在120至200°C之间，但蒸发冷却使液滴温度在干燥过程中显著较低，粒子温度在过程末期接近出风温度。在RDIF中，涉及惰性床的碰撞既促进了壁自清洁，同时又将干膜粉碎成细粉，在单次连续操作中实现两种功能（Jedlińska等人，2021；Samborska等人，2023）。这种方法克服了富含糖分的泥状物固有的严重黏附和结块局限性，在最小化载体添加量的同时实现了高产品收率，并保留了热敏性甜菜碱。

因此，本研究旨在通过系统调查WPI与麦芽糊精作为RDIF系统中载体剂的性能来填补这一知识空白。采用稳健的实验设计方法，本研究旨在比较这些载体剂的效力并优化工艺参数，以最大化生物活性浓度和粉末质量。本研究的相关性在于产生前所未有的WPI-RDIF组合用于甜菜根处理的数据，并提出一种优化方法，可作为开发其他具有挑战性的蔬菜基材料干燥工艺的基础，从而促进食品工程领域的创新。

小节片段

样品制备

从巴西米纳斯吉拉斯州乌贝兰迪亚当地市场购买新鲜甜菜根（Beta vulgaris L.）块根，在流水下清洗，手动去皮，切成约2.0厘米见方的立方体。以1:1的质量比向立方体中加水以便于加工。然后使用三合一Turbo Chef手持搅拌机（Elgin，巴西）均质化约3分钟，以获得均匀的糊状物。载体剂——麦芽糊精（MD；Health Labs，巴西）或乳清蛋白分离物（WPI；

粒子动力学和碰撞力学的数值分析（DEM）

惰性材料的选择和旋转速度基于表4中总结的碰撞力和悬浮时间分数的DEM模拟结果。

对于甜菜根糊等高内聚性材料，平均碰撞力必须足够高，以克服干膜在惰性表面上的粘附力。DEM模拟结果（表4）显示，在等效条件下，不锈钢球产生的碰撞力约为聚甲醛（POM）的4倍。

结论

本研究成功证明了带惰性填充物的回转干燥机（RDIF）在生产品质高甜菜根粉方面的可行性。研究明确建立了乳清蛋白分离物（WPI）作为载体剂优于麦芽糊精的结论。WPI通过减轻甜菜根泥的黏性显著提高了工艺收率（最高达61.9%），并对热敏性生物活性化合物提供了更优越的保护，从而获得了更高的酚类、类黄酮和甜菜碱含量。

CRediT作者贡献声明

Oscar F.S. Netto：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析。Nathália P. Ferreira：撰写——初稿，可视化，方法论，调查。Neiton C. Silva：方法论，调查，形式分析，数据管理，概念构思。Cláudio R. Duarte：撰写——审稿和编辑，监督，软件，资源，项目管理，资金获取，形式分析，数据管理，概念构思。Marcos

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢巴西国家科学和技术发展委员会（CNPq）和国家高等教育人员改进协调处（CAPES）的财政支持。

Oscar F.S. Netto | Nathália P. Ferreira | Neiton C. Silva | Cláudio R. Duarte | Marcos A.S. Barrozo
联邦大学，化学工程学院，K楼，Santa M?nica校区，巴西米纳斯吉拉斯州乌贝兰迪亚38400-902